John Clarke, Michel H. Devoret és John M. Martinis kapták az idei fizikai Nobel-díjat, méghozzá „a makroszkopikus kvantummechanikai alagúteffektus és az energiakvantálás felfedezéséért egy elektromos áramkörben”. Ez valószínűleg egy átlagembernek nem mond túl sokat, pedig a tudósok kutatásai fontos szerepet játszhatnak például a kvantumszámítógépek fejlesztésében.
A kvantumszámítógépek különféle technológiai megvalósításai közül jelenleg néhány ígéretes megoldás versenyez egymással, ezek közül az egyik legfejlettebb az úgynevezett szupravezető-alapú kvantumszámítógép – ezen dolgozott mindhárom díjazott. Az idei fizikai Nobel apropóját egyébként az is adta, hogy maga a kvantummechanika százéves: ekkor publikálta Werner Heisenberg és Erwin Schrödinger az alapvető elméleteiket, amelyek megmutatták, hogy az elektronok viselkedése nem írható le a klasszikus fizika fogalmaival. Azóta tudjuk, hogy az olyan jelenségek, mint a hullámfüggvény vagy a szuperpozíció, az anyag legalapvetőbb szintjén határozzák meg a világ működését.
„Ezek működnek, ha kevés elektronról beszélünk, de az áramkörökben is elektronok mozognak, ráadásul egyszerre sok, és viszonylag magas hőmérsékleten. Ezek a kvantumeffektusok pedig általában érzékenyek a magasabb hőmérsékletre, és az elektronok egymással is kölcsönhatnak, ami »elrontja« ezeket a kvantumeffektusokat” – mondta a Telexnek Asbóth János, a Budapesti Műszaki Egyetem Elméleti Fizika Tanszékének egyetemi docense és a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos főmunkatársa.
A friss Nobel-díjasok viszont bebizonyították, hogy mégiscsak lehet elektromos áramkörökben kvantumeffektusokat megfigyelni, de csak akkor, ha ezek az áramkörök szupravezetők.
Szupravezető áramkörben az elektromos áram gyakorlatilag ellenállás nélkül folyik. Ez azt jelenti, hogy ha egyszer az áram beindul, elméletileg örökké keringhet anélkül, hogy energiaveszteség lenne — nem melegszik, nem gyengül, és nem áll le. Normál fémekben az elektronok mozgását akadályozzák az atomrács rezgései és az apró szennyeződések. Ez okozza az elektromos ellenállást és a hőtermelést. De ha egyes anyagokat nagyon alacsony hőmérsékletre (néhány kelvinre, vagyis közel az abszolút nullához) lehűtenek, az elektronok különleges módon viselkednek. Egyrészt párokat alkotnak (ezeket hívják Cooper-pároknak), másrészt ezek a párok összehangoltan, egyetlen kvantumállapotként mozognak.
„A kvantummechanikában egy objektumnak van egy hullámfüggvénye. A szupravezetésnél pedig rengeteg elektronnak van egy közös hullámfüggvénye, és emiatt azokat a furcsa jelenségeket, amikkel a kvantummechanika operál – például szuperpozíció, kvantumos összefonódás, alagúteffektus – a sok elektron szupravezető állapotban meg tudja valósítani” – mondta a szakember.
A Nobel-díj most azért járt, mert ugyan ilyen kvantummechanikai viselkedéseket nagyon kicsi, mikroszkopikus rendszerekben már sikerült megfigyelni, makroszkopikus, vagyis nagyobb rendszerekben, például elektromos áramkörökben a három kutató munkája előtt még nem. A „nagyobb” itt a mikroszkopikus méretekhez képest értendő: a Nobel-díj weboldalán az áll, hogy maga a szupravezető csip egy négyzet-centiméteres volt, tehát már szabad szemmel is látható.
Egy átlagos áramkörben az elektronok „lökdösik” egymást, és emiatt a kvantumeffektusok nem jelennek meg, vagy legalábbis nagyon elmosódnak. „Ha viszont szupravezetőről beszélünk, akkor az elektronok már tudnak kollektív hullámfüggvényt elfoglalni. Előtte párba rendeződnek, ezeket hívjuk Cooper-pároknak. Az áramkörben van két, hétköznapi fémből készült drót, amiknek elég alacsony a hőmérsékletük. Ezek között van valamilyen szigetelő réteg, mondjuk rozsda, és ezen a rétegen át tudnak jutni a Cooper-párok” – mondta a szakértő.
Ezt a réteget hívjuk Josephson-átmenetnek, az pedig, amikor az elektronok átjutnak rajta, a kvantum-alagutazás. A Cooper-párok ebben a rendszerben úgy viselkedhetnek, mintha egyetlen részecskét alkotnának, amely kitölti az egész elektromos áramkört. Ezek az apró, nanométeres méretű átmenetek alkotják a kvantumszámítógépek alapegységeit. A kvantummechanika ezt a kollektív állapotot egy közös hullámfüggvénnyel írja le. Ennek a hullámfüggvénynek a tulajdonságai kulcsszerepet játszanak a díjazottak kísérletében.
Asbóth János azt mondta: azt, hogy az ilyen szupravezetőkben ellenállásmentesen folyik az áram, egyelőre nem használjuk ki sok helyen. „Érdekes, hogy ennyire alapvető jelenségről van szó, amit több mint száz éve fedeztek fel, és valahogy még sincs ott mindenhol. Szinte semmilyen hétköznapi eszközünk nincs, ami szupravezető lenne. A kórházban az MRI-gépekben van szupravezető mágnes, de nagyjából ez az egyetlen hely, ahol találkozunk ilyesmivel” – mondta.
Martinis és munkatársai voltak azok, akik a szupravezető kvantumbitek fejlesztésében áttörést értek el. Az ő csoportjuk építette a Google kvantumszámítógépét, amely 2019-ben elérte az úgynevezett kvantumfölényt — vagyis olyan feladatot hajtott végre, amelyet egy hagyományos számítógép már nem tudott volna reálisan elvégezni. Martinis ma már saját cégénél dolgozik, de a kvantumszámítógép-fejlesztés alapjait az ő munkája fektette le.
Magyarországon is van egyébként olyan laboratórium, ahol ilyen áramköröket vizsgálnak: a BME Fizikai Tanszékén a Nanoelektronikai Kutatólaboratóriumban dolgoznak ilyenekkel a tudósok.
Összességében ez a Nobel-díj arról szól, hogy sikerült bizonyítani: a kvantumvilág törvényei nemcsak atomi szinten, hanem makroszkopikus rendszerekben is érvényesek lehetnek — és ez az a felismerés, amely elvezethet a működő kvantumszámítógéphez.
